JP2005020885A

JP2005020885A - ロータリ・リニア直流モータ

Info

Publication number: JP2005020885A
Application number: JP2003182122A
Authority: JP
Inventors: Takayuki Mizuno; 孝行水野
Original assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2003-06-26
Filing date: 2003-06-26
Publication date: 2005-01-20

Abstract

【課題】特性に優れ、かつ直線、回転、螺旋運動が可能なロータリ・リニア直流モータを得る。
【解決手段】固定子鉄心１２にロータリ巻線１４とリニア巻線１３を施して固定子１０を形成するとともに、円筒状の可動子鉄心８の表面に、Ｎ極磁石１５を周方向及び軸方向に１極置きに配設するとともに、この各Ｎ極磁石１５とは周方向及び軸方向に１極ずらせた位置にＳ極磁石を周方向及び軸方向に１極置きに配設して可動子９を形成し、ロータリ巻線１４に三相交流を印加して可動子９を回転させ、あるいはリニア巻線１３に直流を印加して可動子９を直進させ、あるいは両巻線１４，１３にそれぞれ三相交流及び直流を印加して螺旋運動をさせる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、推力と回転力を発生するロータリ・リニア直流モータ、特にその構造に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ロータリ・リニアモータは、単体のモータで回転運動、直線運動、螺旋運動（回転運動＋直線運動）を用途に応じて使い分けるものであり、誘導形のものが非特許文献１に示されている。しかし、誘導形モータは力率や効率が悪いので、永久磁石を用いた磁石式ロータリ・リニアモータとすることが望ましいが、永久磁石を用いた場合、回転運動と直線運動があるため、界磁の配置が困難となり、磁石式ロータリ・リニアモータはほとんど例を見ない。ところで、直線運動だけするものでは、磁石界磁式の例もあり、簡単なリニア直流モータの例が非特許文献２に示されており、その構造を図４（ａ），（ｂ）に示す。
【０００３】
図４（ａ）．（ｂ）において、固定子１では、円筒状の固定子鉄心２に円環状の溝２ａが軸方向に複数個形成され、これによって溝２ａ間には歯部２ｂが形成され、歯部２ｂの接続部分にヨーク部２ｃが形成される。円環状の溝２ａには円環状のコイル３が収納される。固定子１の内周側には可動子４が軸方向移動可能に設けられ、可動子４においては円筒状鉄心５の中心に可動軸６が突出形成され、円筒状鉄心５の外周にはＮ極とＳ極の永久磁石７が貼り付けられている。コイル３と永久磁石７の配設ピッチは同一としており、コイル３に直流電流Ｉを印加することにより、可動子４は軸方向に直線運動する。しかし、回転運動は不可能である。
【０００４】
【非特許文献１】
西本裕宣、外２名、「ロータリ・リニア誘導モータのロータリ運転時の特性算定と諸特性に及ぼす二次抵抗の影響」、１９９７年度電気関係学会東海支部連合大会（１９９７年９月２９日）、論文Ｎｏ．２２３
【０００５】
【非特許文献２】
水野勉、外５名、「磁石可動形リニア直流モータの電気的時定数」電気学会論文誌Ｄ、１１９巻３号、平成１１年
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記したように、誘導形のロータリ・リニアモータは力率や効率が悪い。これに対して、永久磁石を用いた図４のリニア直流モータはストロークは小さいが、構造が簡単で力率、効率が良く、制御性も良い。しかし、回転させることができなかった。
【０００７】
この発明は上記のような課題を解決するために成されたものであり、力率、効率、制御性が良く、かつ直線、回転、螺旋運動が可能なロータリ・リニア直流モータを得ることを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この発明の請求項１に係るロータリ・リニア直流モータは、回転可能であるとともに、軸方向へも可動可能な可動子を有し、かつ固定子においては固定子鉄心に可動子を回転運動させるための回転磁束を形成するロータリ巻線と可動子を軸方向に直線運動させるためのリニア巻線とを施したロータリ・リニアモータにおいて、可動子は、円筒状の可動子鉄心の表面に、Ｎ極磁石を周方向及び軸方向に１極置きに配設するとともに、この各Ｎ極磁石とは周方向及び軸方向に１極ずらせた位置にＳ極磁石を周方向及び軸方向に１極置きに配設し、ロータリ巻線に三相交流を印加し、あるいはリニア巻線に直流を印加し、あるいはロータリ巻線に三相交流を印加するとともに、リニア巻線に直流を印加するようにしたものである。
【０００９】
請求項２に係るロータリ・リニア直流モータは、可動子鉄心の表面の磁石間に、鉄心による磁極を配設したものである。
【００１０】
請求項３に係るロータリ・リニア直流モータは、磁石に代えて鉄心による磁極を用いたものである。
【００１１】
請求項４に係るロータリ・リニア直流モータは、ロータリ巻線の極数とスロット数とを集中巻可能な数にするとともに、固定子鉄心の歯部にロータリ巻線を施して集中巻としたものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
実施形態１
以下、この発明の実施の形態を図面とともに説明する。図１（ａ），（ｂ）はこの発明の実施形態１によるロータリ・リニア直流モータの要部側面図及び要部断面図を示し、永久磁石界磁を用いて回転運動を同期モータとして動作させるために、円筒状の可動子鉄心８の外周に永久磁石を貼り付けて可動子９を構成する。固定子１０においては、円筒状のバックヨーク１１の内周に固定子鉄心１２を取り付け、固定子鉄心１２には円環状のスロット１２ａが軸方向に複数個設けられ、スロット１２ａには円環状のリニア巻線１３を収納する。又、固定子鉄心１２には軸方向にも複数のスロット１２ｂが形成され、スロット１２ｂ間には歯部１２ｃが形成され、歯部１２ｃにはロータリ巻線１４を集中巻により設ける。両巻線１３，１４は共に４極構成とする。永久磁石の貼り付けにおいては、まず、ロータリ巻線１４用のＮ極磁石１５をリニア巻線１３の巻線ピッチに相当する軸方向長さで円周方向のＮ極とすべき位置に貼り付ける。Ｎ極磁石１５と同一円周上においては、１８０度異なる位置にＮ極磁石１５を設けるが、Ｓ極磁石は設けない。次に、貼り付けたＮ極磁石１５から軸方向にリニア巻線１３の１極ピッチずらせて、かつ周方向に電気角で１８０度ずらせてＳ極磁石１６を貼り付ける。Ｓ極磁石１６も同一円周上に機械的に１８０度ずらせて一対設けるとともに、軸方向にはリニア巻線１３の１極置きに設ける。
【００１３】
以上のような作業を繰り返すことにより、軸方向に見た場合に同種の磁極磁石が１極置きに存在し、円周方向に見た場合にも同種の磁極磁石が１極置きに存在するようになる。このような構造により、リニア巻線１３及びロータリ巻線１４それぞれに対する磁極が互いに独立して存在することになり、ロータリ巻線１４に三相交流を印加すると、通常の回転形永久磁石同期モータとして動作し（１極当たりの磁石は通常のモータの１／２となる。）、可動子９は回転する。又、リニア巻線１３に直流を印加すると、通常のリニア直流モータとして動作し、可動子９は直線運動をする。両巻線１３，１４に電圧を印加すると、可動子９は螺旋運動をする。従って、上記構造により、回転、直線、螺旋運動が可能なロータリ・リニア直流モータが実現できる。
【００１４】
又、ロータリ巻線１４を鉄心歯部１２ｃに直接巻線する集中巻とした。この場合、一般に毎極毎相スロット数ＱがＱ≦０．５となるので、分数スロット巻となる。具体的には、スロット数：極数＝３：２、９：８、９：１０などのものが知られている。可動子９が直線運動することによる永久磁石形界磁のロータリ巻線１４への影響がなくなるので、ロータリ巻線１４の巻線方法として集中巻を採用することができる。また、リニア巻線１３の場合も集中巻の考え方を採用し、リニア巻線１３の巻線ピッチと磁極ピッチとを同一とし、集中巻と同等なスロット数を採用することができ、リニアモータとしてのスロット数を低減することができる。
【００１５】
実施形態１においては、ロータリ・リニア直流モータを永久磁石界磁として構成できるので、力率、効率などの特性を向上することができるとともに、制御性も向上することができる。又、回転、直線、螺旋の各運動が可能なロータリ・リニア直流モータを実現することができる。さらに、ロータリ巻線を集中巻としたので、コイル数を減少させるとともに、コイルエンド寸法を小さく抑えることができる。このため、モータとしての小形、軽量化、コストダウンが実現できる。
【００１６】
実施形態２
図２（ａ），（ｂ）はこの発明の実施形態２によるロータリ・リニア直流モータの要部側面図及び要部断面図を示し、可動子１８は可動子鉄心８の表面にＮ極磁石１５とＳ極磁石１６とを実施形態１と同様に配設するとともに、可動子鉄心８の表面のＮ極磁石１５間及びＳ極磁石１６間に鉄心による磁極１７を配設している。磁極１７は、珪素鋼板などを積層して形成する。固定子１０等の構成は実施形態１と同様である。
【００１７】
上記構成において、ロータリ巻線１４から見た場合、磁極１７は可動子鉄心８の外周の同一周面上の磁石１５，１６と逆の極性となり、軸方向では磁石１５，１６と同一の極性となるように動作する。このため、実施形態１より磁束が増加し、力率、効率、制御性などの特性が改善される。一方、リニア巻線１３から見た場合、磁極１７は可動子鉄心８の周面上で軸方向では磁石１５，１６と逆極性となり、同一周面上では磁石１５，１６と同一極性となるように動作するので、やはり磁束が増加し、特性が改善される。その他、実施形態１と同様な効果がある。
【００１８】
実施形態３
図３（ａ），（ｂ）は実施形態４によるロータリ・リニア直流モータの要部側面図及び要部断面図を示し、実施形態２における磁極１７はそのままとし、磁石１５，１６に代えて鉄心による磁極１７を用い、可動子１９を構成する。固定子１０は実施形態１，２と同様である。このように、全てを磁極１７により形成すると、ロータリ巻線１４に電圧を印加した場合もリニア巻線１３に電圧を印加した場合もいずれもいわゆるリラクタンスモータとして動作する。特性的には実施形態２より磁束が減少し、力率等の特性は実施形態２より劣るが、低コストで製作できるメリットがある。その他、実施形態１と同様な効果がある。
【００１９】
実施形態４
上記実施形態１〜３においては、ロータリ巻線１４については４極６スロット、リニア巻線１３については４極４スロットの構成であるが、この組み合わせは任意であり、それぞれロータリ巻線１４については集中巻可能な極数とスロット数を採用し、リニア巻線１３については任意の極数と極数と同一のスロット数とすれば、種々の極数とスロット数を持つロータリ・リニア直流モータが製作可能となる。又、リニア巻線１３を本方式とし、ロータリ巻線１４を従来同様の分布巻としたものも製作可能である。
【００２０】
【発明の効果】
以上のようにこの発明の請求項１によれば、ロータリ・リニアモータを永久磁石界磁として構成したので、力率、効率、制御性などの特性を向上することができる。又、回転、直線、螺旋の各運動を行うことができるロータリ・リニア直流モータを実現することができる。
【００２１】
請求項２によれば、可動子鉄心の磁石間に磁極を配設したので、磁束が増加し、力率、効率、制御性などの特性を改善することができる。
【００２２】
請求項３によれば、磁石間に磁極を設けるとともに、磁石を磁極に代えており、磁束の増加は請求項２には劣るが、やはり力率等の特性を改善することができるとともに、製作コストを下げることができる。
【００２３】
請求項４によれば、ロータリ巻線を集中巻としており、コイル数を減少させるとともに、コイルエンド寸法を小さくすることができ、モータとして小形化、軽量化、コストダウンを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施形態１によるロータリ・リニア直流モータの要部側面図及び要部断面図である。
【図２】実施形態２によるロータリ・リニア直流モータの要部側面図及び要部断面図である。
【図３】実施形態３によるロータリ・リニア直流モータの要部側面図及び要部断面図である。
【図４】非特許文献２に示された従来のコイル可動形リニア直流モータの要部縦断正面図および要部側面図である。
【符号の説明】
８…可動子鉄心
９，１８，１９…可動子
１０…固定子
１２…固定子鉄心
１２ａ，１２ｂ…スロット
１２ｃ…歯部
１３…リニア巻線
１４…ロータリ巻線
１５…Ｎ極磁石
１６…Ｓ極磁石
１７…磁極

Claims

回転可能であるとともに、軸方向へも可動可能な可動子を有し、かつ固定子においては固定子鉄心に可動子を回転運動させるための回転磁束を形成するロータリ巻線と可動子を軸方向に直線運動させるためのリニア巻線とを施したロータリ・リニアモータにおいて、可動子は、円筒状の可動子鉄心の表面に、Ｎ極磁石を周方向及び軸方向に１極置きに配設するとともに、この各Ｎ極磁石とは周方向及び軸方向に１極ずらせた位置にＳ極磁石を周方向及び軸方向に１極置きに配設し、ロータリ巻線に三相交流を印加し、あるいはリニア巻線に直流を印加し、あるいはロータリ巻線に三相交流を印加するとともに、リニア巻線に直流を印加するようにしたことを特徴とするロータリ・リニア直流モータ。
可動子鉄心の表面の磁石間に、鉄心による磁極を配設したことを特徴とする請求項１記載のロータリ・リニア直流モータ。
磁石に代えて鉄心による磁極を用いたことを特徴とする請求項２記載のロータリ・リニア直流モータ。
ロータリ巻線の極数とスロット数とを集中巻可能な数にするとともに、固定子鉄心の歯部にロータリ巻線を施して集中巻としたことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載のロータリ・リニア直流モータ。